淺埋暗挖法在鐵山鐵礦地采工程施工中的應(yīng)用

王子寬

(河南安鋼集團(tuán)舞陽(yáng)礦業(yè)有限責(zé)任公司)

·采礦工程·

淺埋暗挖法在鐵山鐵礦地采工程施工中的應(yīng)用

王子寬

(河南安鋼集團(tuán)舞陽(yáng)礦業(yè)有限責(zé)任公司)

為確保鐵山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下斜坡道施工安全以及提高工程施工進(jìn)度，詳細(xì)分析了淺埋暗挖法在該礦斜坡道施工中的應(yīng)用成果。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的巷道斷面，進(jìn)行科學(xué)的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇優(yōu)化的支護(hù)參數(shù)，采用正確的開挖方法施工，設(shè)計(jì)了受力合理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)且安全可靠的曲墻式巷道斷面和噴網(wǎng)、網(wǎng)構(gòu)、鋼拱架、鎖腳錨桿等4類復(fù)合支撐體系。應(yīng)用主動(dòng)式一次性永久支護(hù)取代被動(dòng)式二次模筑襯砌，取得了含水軟弱破碎地層巷道施工技術(shù)的重大突破，可供類似礦山參考。

淺埋暗挖法 地采工程 露天轉(zhuǎn)地下 斜坡道 軟弱破碎地層 巷道施工 復(fù)合支撐體系

斜坡道工程是鐵山鐵礦地采工程的重要前期基礎(chǔ)工程[1]。由于巷道需穿越軟弱破碎含水的軟塑性黏土地層和強(qiáng)烈風(fēng)化巖層約400 m以上，且穿脈穿越礦區(qū)公路，施工初期采用傳統(tǒng)的礦山巷道設(shè)計(jì)及施工方法，遇到掌子面嚴(yán)重塌方，進(jìn)展極為緩慢，已施工巷道也出現(xiàn)了支護(hù)開裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅了斜坡道工程的施工安全和工程進(jìn)度。為此，采用淺埋暗挖技術(shù)進(jìn)行斜坡道工程施工，為有效解決斜坡道工程在地表軟弱破碎地段的施工難題提供參考。

1 工程概況及存在的問(wèn)題

1.1 工程概況

目前，鐵山鐵礦古坑露天采場(chǎng)開采接近結(jié)束，自2008年開始著手進(jìn)行露天轉(zhuǎn)地下開采工程施工，設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)鐵礦石400萬(wàn)t，設(shè)計(jì)主要工程有主井、西混合井、東副井、斜坡道、西風(fēng)井和東風(fēng)井。斜坡道工程擔(dān)負(fù)著礦山井下無(wú)軌設(shè)備出入及部分人員、材料運(yùn)輸任務(wù)，且為新鮮風(fēng)流進(jìn)入井下的通道之一；斜坡道形式采用折返式，全長(zhǎng)3 815 m，轉(zhuǎn)彎半徑20 m，主干線坡度17%，彎道段、緩坡段及分段平巷聯(lián)結(jié)坡度5%，平均坡度約15%。原設(shè)計(jì)斷面采用直墻曲拱形式，按行車速度10～20 km/h進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，斜坡道凈斷面尺寸5.0 m×3.8 m(寬×高)。原設(shè)計(jì)在斜坡道掘進(jìn)過(guò)程中根據(jù)巖石狀況，分別采用如下支護(hù)形式：①不支護(hù)；②噴射混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度50 mm；③砌筑混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度200 mm；④洞口段采用鋼筋混凝土支護(hù)，支護(hù)厚度300 mm。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

礦區(qū)內(nèi)地層主要為第四系洪積物及太古界條帶混合巖、長(zhǎng)英均質(zhì)混合巖等巖層。根據(jù)地質(zhì)作用及風(fēng)化程度可分為2類：①?gòu)?qiáng)風(fēng)化綠泥石化角閃斜長(zhǎng)片麻巖；②角礫巖化高嶺土化角閃斜長(zhǎng)片麻巖。區(qū)內(nèi)巖石節(jié)理發(fā)育，鉆探深度內(nèi)巖層的擠壓破碎帶較嚴(yán)重，有約63 m厚的第四系土層及強(qiáng)烈風(fēng)化帶，并有強(qiáng)弱不同程度的熱液蝕變和綠泥石化、高嶺土化現(xiàn)象，是巖體中最不穩(wěn)定的軟弱層帶。區(qū)內(nèi)地下水主要受大氣降水的滲透補(bǔ)給，經(jīng)地下徑流在臨近礦坑中排出。區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層和淺部巖體受風(fēng)化作用的影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水主要賦存于微透水的條帶混合巖體中，主要為基巖裂隙水，受大氣降雨和季節(jié)性補(bǔ)給的影響較大。

1.3 存在問(wèn)題

斜坡道工程是鐵山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采的重要工程，建成后將承擔(dān)地下大型設(shè)備進(jìn)出和局部出礦的任務(wù)。工程施工跨度6 m，錯(cuò)車道部分的跨度達(dá)12 m，工期計(jì)劃2 a零8個(gè)月。由于跨度大，巖石結(jié)構(gòu)松軟，施工過(guò)程中存在的問(wèn)題及面臨的困難有：①工作面出現(xiàn)大量塌方，隨掘隨塌，嚴(yán)重威脅施工設(shè)備及人身安全，尤其隨著隧道的加深，地下水的涌出量增加，地層的軟弱破碎狀況更為惡化，施工安全遇到前所未有的挑戰(zhàn)，其中一段巷道施工過(guò)程中塌方還波及至地表，使得地表形成一個(gè)大沉降坑；②由于施工困難，進(jìn)度緩慢，無(wú)法爆破，無(wú)法使用機(jī)械設(shè)備，基本靠人工掘進(jìn)，施工1 a，加上地表明挖段，僅掘進(jìn)了180 m，每月掘進(jìn)量最多15 m，最少僅8 m，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度；③施工成本大幅增加，破碎地段施工前期采用鋼軌斜插支護(hù)，再進(jìn)行二次模筑，使得材料消耗大，施工成本較高(6～7萬(wàn)元/m)；④已施工的巷道隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象；⑤隧道應(yīng)在埋深淺的條件下穿越礦區(qū)主干公路和河道。

2 淺埋暗挖法施工技術(shù)及其應(yīng)用

2.1 淺埋暗挖法原理

淺埋暗挖法的特點(diǎn)是沿用新奧法的基本原理，建立量測(cè)信息反饋設(shè)計(jì)和施工程序，采用先柔后剛復(fù)合式襯砌新型支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，考慮初次支護(hù)承擔(dān)全部基本荷載，二次模筑襯砌作為安全儲(chǔ)備，初次支護(hù)和二次襯砌共同承擔(dān)特殊荷載[2-6]。該方法在施工中充分利用圍巖的自承能力，采用不同的開挖方法及時(shí)支護(hù)、封閉成環(huán)，使支護(hù)體與圍巖共同作用形成聯(lián)合體系。

2.2 施工過(guò)程

2.2.1 斷面形狀設(shè)計(jì)

巖層風(fēng)化帶屬軟弱地層，地質(zhì)條件差，圍巖自穩(wěn)性差。為提高圍巖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將直墻式結(jié)構(gòu)斷面改為曲墻式結(jié)構(gòu)斷面，曲線盡可能圓順，減少應(yīng)力集中點(diǎn)，斷面兩側(cè)擴(kuò)展尺寸計(jì)算公式為

式中，h為由直墻邊變?yōu)榍鷫叺淖畲笫父?，m；H為開挖斷面高度，m；d為由直底邊變?yōu)榍走叺淖畲笫父撸琺；L為開挖斷面寬度，m。

2.2.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

在強(qiáng)度較低、節(jié)理發(fā)育的巖層風(fēng)化帶施工，極易發(fā)生巖體塌方，圍巖往往產(chǎn)生較大的變位量，支護(hù)結(jié)構(gòu)被壓縮彎曲而對(duì)圍巖壁面施加徑向約束壓力，需要支護(hù)體系提供支護(hù)抗力。為此，將原模筑襯砌結(jié)構(gòu)修改為噴網(wǎng)鋼拱架結(jié)構(gòu)，形成了混凝土、鋼拱架和鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)體系(圖1)。該支護(hù)體系的優(yōu)點(diǎn)：①支護(hù)施工及時(shí)；②斷面封閉快；③有利于充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，確保工作面穩(wěn)定。

圖1 混凝土、鋼拱架和鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)體系

2.2.3 支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.3.1 網(wǎng)構(gòu)拱架

為提高支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖施加的支承力，采用鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度。鋼拱架的設(shè)計(jì)要求：①鋼拱架須有一定的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保噴射混凝土在早期無(wú)承載能力時(shí)可承擔(dān)圍巖的部分荷載；②限制圍巖產(chǎn)生較大變形，但應(yīng)確保支護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的柔性。針對(duì)斜井的實(shí)際情況，選擇了一種新型支護(hù)拱架——網(wǎng)構(gòu)鋼拱架(圖2)。

2.2.3.2 鋼筋網(wǎng)

為提高聯(lián)合支護(hù)體的強(qiáng)度，在鋼拱架之間鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)用φ22 mm圓鋼筋電焊加工成100

圖2 新型支護(hù)拱架—網(wǎng)構(gòu)鋼拱架結(jié)構(gòu)(單位：mm)

mm×100 mm的片狀網(wǎng)格，鋼筋網(wǎng)片規(guī)格為1 000 mm×2 000 mm，見圖3。

圖3 鋼筋網(wǎng)設(shè)計(jì)(單位：mm)

2.2.3.3 鎖腳導(dǎo)管

為確保初期支護(hù)和落地開挖加格柵時(shí)鋼拱架的穩(wěn)定性，分別在兩側(cè)設(shè)計(jì)了上部和下部2根鎖腳導(dǎo)管，導(dǎo)管φ42 mm，壁厚3.5 mm，長(zhǎng)2 m，向下30°安裝(圖4)，鎖腳導(dǎo)管和網(wǎng)構(gòu)架用電焊焊牢。

2.2.3.4 噴射混凝土工藝

噴射混凝土可分為初噴和復(fù)噴2個(gè)環(huán)節(jié)。為充分發(fā)揮圍巖承載力，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初噴混凝土，再?gòu)?fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。初噴和復(fù)噴均采用潮噴法，噴射混凝土強(qiáng)度為C20，采用強(qiáng)式攪拌機(jī)拌和。噴射水灰比0.4～0.45。

圖4 鎖腳導(dǎo)管設(shè)計(jì)

噴射工藝要求粉塵回彈最小，噴射混凝土應(yīng)密實(shí)、飽滿、表面平順，其強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到C20設(shè)計(jì)要求。骨料最大粒徑宜小于15 mm，砂率宜為70%～80%，施工要點(diǎn)：①噴射混凝土厚度31 cm；②速凝劑的摻量應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定，應(yīng)進(jìn)行水泥和速凝劑匹配試驗(yàn)，混凝土的初凝時(shí)間不超過(guò)5 min，終凝時(shí)間不超過(guò)10 min；③混合料應(yīng)隨拌隨用，不摻速凝劑的混合料存放時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2 h，摻速凝劑的混合料存放時(shí)間不應(yīng)超過(guò)20 min；④混合料應(yīng)采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，攪拌時(shí)間不宜少于1 min。

2.2.4 開挖方法

為有效控制圍巖松弛及由此引起的洞頂塌落、拱頂下沉，采用留核心土正臺(tái)階開挖法，上臺(tái)階長(zhǎng)度定為洞徑的1倍，即6～10 m，視地層優(yōu)劣決定是否設(shè)超前小導(dǎo)管，施工流程見圖5。主要施工順序：①環(huán)形開挖留核心土；②初噴混凝土；③施工拱頂支護(hù)；④臺(tái)階向下開挖；⑤由上至下施工邊墻支護(hù)；⑥施工仰拱封閉成環(huán)。

圖5 正臺(tái)階開挖法施工流程

2.3 應(yīng)用效果

(1)工期快，剔除施工準(zhǔn)備時(shí)間，僅用了3個(gè)月便完成工程進(jìn)度220 m，順利通過(guò)了地表含水軟弱破碎帶，最快進(jìn)尺達(dá)80 m/月，而傳統(tǒng)施工法最大進(jìn)尺僅15 m/月。

(2)施工安全，實(shí)行環(huán)形開挖，快速施工，快速封閉，對(duì)巷道圍巖影響小，基本保持了巷道圍巖原始狀態(tài)，充分利用了圍巖自身的支撐能力。分臺(tái)階施工、預(yù)留中央核心土，使巷道在施工過(guò)程中暴露面積小，并對(duì)巷道正面起到支撐防護(hù)作用，降低了圍巖冒頂、片幫的可能，作業(yè)環(huán)境的安全性大大提高，也為加快施工創(chuàng)造了條件。

(3)材料消耗少，成本低，相比傳統(tǒng)施工法，每米巷道降低材料費(fèi)用約1萬(wàn)元，巷道每米造價(jià)由6～7萬(wàn)元降低至3.5萬(wàn)元以下。

(4)淺埋暗挖法施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，按工序一次成巷，施工速度快，無(wú)維護(hù)工作量，不反復(fù)。

(5)斜坡道施工快速通過(guò)了礦區(qū)主干公路，地表無(wú)沉降，對(duì)地表及周圍建筑物無(wú)影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)鐵山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下斜坡道施工中存在的問(wèn)題，引入了淺埋暗挖法施工技術(shù)，對(duì)該技術(shù)的關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)以及實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了詳細(xì)分析，為類似礦山工程施工提供參考。

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[2] 趙玉報(bào)，陳壽根，張 恒，等.深圳地鐵四號(hào)線富水流沙層下穿立交橋隧道CRD法開挖動(dòng)態(tài)分析[J].路基工程，2012(1)：96-100.

[3] 王旭東，周生華，遲建平，等.上軟下硬地層淺埋暗挖隧道覆跨比研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011(4)：700-705.

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[5] 鄧稀肥，陳壽根，張 恒，等.深圳地鐵四號(hào)線隧道圍巖變形控制技術(shù)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011(2)：340-345.

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Application of the Construction Process of the Shallow Tunnel Excavation Method in the Underground Mining Engineering of Tieshan Iron Mine

Wang Zikuan

(Wuyang Mining Co., Ltd.,Henan Anyang Iron and Steel Group)

In order to ensure the ramp construction safety and enhance the ramp construction speed of Tieshan mine open-pit to underground engineering, the application results of the ramp construction technology of shallow tunnel excavation method of Tieshan mine is analyzed in depth. Based on designing a reasonable roadway section and scientific support structure, selecting the optimal supporting parameters and adopting the right excavation method of construction, the curved wall roadway with the characteristics of reasonable load, technical, economic, safety and reliable is designed, and the four kinds of composite supporting system of spray network, network structure, steel arch and feet-lock bolt are proposed. The passive secondary mold lining is replaced by active one-time permanent support, the breakthrough of the roadway construction technology of the water cut fractured stratum is obtained. Therefore, the application results of this paper can provide reference for the similar mines.

Shallow tunneling excavation method, Underground mining engineering, Open-pit to underground, Ramp, Water cut fractured stratum, Roadway construction, Composite supporting system

2015-09-23)

王子寬(1963—)，男，高級(jí)工程師，462500 河南省舞鋼市。